目前,激光加工技術已經成為先進制造技術領域的典型代表,應用到幾乎所有的主流制造領域,如汽車制造,電子器件,航空航天,石油化工,冶金礦山,能源交通以及新能源等等,只是不同的領域普及程度不同而巳。亳不夸張地說,哪個行業或領域應用激光加工技術多,該領城的技術水平越先進,發展也越好。
為什么激光加工如此重要呢?眾所周知,車,銑,刨,磨等傳統機械加工技術,都是控制系統驅動電機運動,而后后者帶動相應的加工工具完成的,這個過程除了摩擦生熱,沒有另外的熱源輸人,因此屬于“冷加工”工藝過程。而激光加工則是采用高能量密度激光束對材料進行熔化、氣化、固態相變或者沖擊強硬化等使物質形態改變的工藝過程,它同樣需要運動機構,但加工能カ和范圍要大得多:既可以是熱加工(如激光焊接、切割、打孔、標刻、熔覆以及淬火等),也可以是冷加工(例如采用皮秒/飛秒激光進行銑削,車削等),目前應用最廣的還是熱加工,如激光切割、焊接、表面處理以及增材制造等等.除了激光,還沒有哪一種工具能在如此寬泛的范圍內實現材料加工。
激光加工技術逐步取代傳統機械加工
有人或許會問,激光加工技術是否有一天會完全取代傳統的機械加工呢?這一點不能一概而論。傳統的機械加工包括狹義的機械加工(例如車,銑,刨、磨)和廣義的機械加工(含鑄、鍛、焊等熱加工技術和車銑刨磨等冷加工),而激光加工技術范疇鉸寬,因此,針對不同的技術分別討論比較好。
數十年來,激光切割技術一直以切割精度高、效率高而備受青睞,薄板激光切割加工周期短,可節約開模費在很大程度上取代了沖壓。以前,由于激光器依賴進口,激光切割機成本居高不下。近年來,銳科、創鑫等國產光纖激光器品牌強勢崛起并大量替代進口,使得激光切割裝備的價格大幅度下降,市場出現井噴,不但應用面大幅度擴展,還在很多方面取代了傳統的等離子切割、氧割、電火花切割以及水切割等傳統工藝。激光切割設備年產量已達數萬臺,改寫了飯金加工產業的格局。
激光焊接技術也是激光加工領域的主流技術之一。與傳統弧焊工藝相比,激光悍接熱影響區小,工件變形小,接頭性能好,還可顯著改善材料的焊接性。獨樹一幟的激光-電弧復合焊接技術,將激光焊接與電弧焊接的優勢有機結合,不僅顯著提升焊接速度和熔深,而且降低單純激光焊接對拼縫間隙的高精度要求,還可以通過調整金屬絲成分改善焊縫的性能。因此,激光悍接和激光-電弧復合焊接巳經成為高端焊接技術的代名詞,在汽車、航空航天和精密機械等領域中率先應用,并逐步擴展到冶金、石化、船舶及能源等重型機械中。隨著激光器價格的不斷降低,激光焊接(含激光電弧復合焊接技術)取代傳統弧焊技術的速度會不斷提升。
激光表面工程技術近年來的表現也可圈可點。激光表面淬火技術、激光熔覆強化與修復技術等已經在各行各業中得到應用,并迅速取代傳統的感應淬火、滲碳淬火、堆焊、熱噴涂和噴焊技術,在航空航天,機械制造、冶金石化和能源交通等領域得到廣泛應用。特別值得一提的是激光清洗技術,它是采用高能量密度的激光束燒蝕金屬表面,使零件表面的油污、銹斑和有機粘附物等瞬間發生升華、氣化或者燃燒而脫高基體表面的工藝過程。這基本上是一個純物理過程,“清洗”效率高,基本不損傷基體,又不需要洗滌劑等化學介質,節能環保。與上述激光加工技術都有一些傳統的熱加工工藝對應不同,激光清洗似平是激光技術所獨有的,剛好可滿足當前國內對環保的高要求。
與冷加工對應的激光加工技術是基于飛秒與皮秒激光刻蝕或者基于紫外、深紫外波長的激光精密刻蝕或者精密切割、打孔。盡管其去除材料的原理仍然與激光的熱效應密不可分,但是對被加工零件基體的熱影響幾乎可以忽略,因此激光“銑削",“車削”技術也常常被稱為激光“冷加工",并在超硬、超脆和超欽材料的加工中率先得到應用。隨著激光器功率的不斷增加,特別是千瓦級超快激光器的出現,激光"冷加工”效率不斷提升,加上“激光刀”“永不磨損”的特性,預期激光刻蝕技術會在越來越多的場合取代傳統的冷加工工藝,當前的主要障礙還是超快激光器的價格太貴。
激光加工技術應用市場前景廣闊
目前,激光加工技術的應用方興未艾,市場前景非常廣闊。這是因為,激光束既可以以高功率連續模式輸出,也可以高重頻,低峰值功率和短脈寬的準連續脈沖方式輸出,還可以有低重頻、高峰值功率的脈沖輸出,能量大小,輸出方式和形狀以及能量密度都可以在很寬的范圍內精確調控。當脈寬短至皮秒或飛秒時,峰值功率極高,激光加工精度高,熱影響區極小。此外,激光波長可以從深紫外到遠紅外調節,滿足不同材料的加工要求。所以,激光加工技術可滿足減材制造(如激光切割、激光打孔、激光銑削、激光刻蝕及激光拋光）、等材制造(如激光焊接、激光相變硬化、激光沖擊強化、激光熔凝強化及激光折彎)和增材制造(如激光熔覆與合金化、激光增材制造)等各種工藝過程的需求。
智能手機現在已成為典型的通訊平臺,遠遠超越了單純通話范疇。但是,如果沒有激光先進制造技術,如激光精密刻蝕,切割與打孔以及精密焊接這些核心技術的支持,手機是無法做到如今這么精巧,精致和可靠的。
激光加工技術重點關注領域
目前激光加工技術的重點關注領域主要集中在如下幾個方面:
一是激光增材制造,主要聚焦于激光選區熔化成形技術。因為該技術可以實現集成制造,即將多個零件,多種結構作為一個零件,實現集成制造。這不但可以顯著減少零件數目,提高裝備可靠性.還可以實視零件減重,減少體積,達到結構功能一體化,因此特別受到航空航天領域的關注。
二是厚板激光切割與焊接。以前,由于高功率激光器的價格品貴,加上性能穩定性也欠佳,因此激光切制與焊接技術主要局限于薄板與中厚飯(一般不超過20mm)。近年來,國產萬瓦級甚至2萬瓦級別光纖激光器研制成功并趨于穩,激活了中厚板基至厚板激光切割與焊接市場的需求。目前,厚板激光犀接應用還滯后于激光切割,主要是基于萬瓦級激光悍接工藝特別是激光-電弧復合悍接工藝發展還相對滯后.但是可以預期,不需要多長時間,這個空檔就會被填上。
三是激光高速熔覆技術。眾所周知,由于環保方面的限制,金屬電鍍已在許多地方都受到限制。但是,材料表面的耐腐蝕、耐磨性及耐熱性在許多工況下又是“剛需”,因此尋找環境友好的替代技術迫在眉睫。激光高速熔覆技術的沉積效率高,性能好,性價比高,對環境無污染,正好填補了這個空擋,因此得以迅速推廣應用。
未來發展驅動力
激光加工技術與裝備的未來發展驅動力來自四個方面:
一是光源驅動。新型或高性能激光器的出現,或者激光器成本的顯著降低,會觸發相應的市場應用出現爆發式增長。正所謂,一代激光器,一代裝備。厚板激光切割設備快速走入工業領域就是一個典型案例。
二是系統功能驅動。如今已經進入信息化、智能制造時代。激光加工的精確可控性,使其成為智能制造的天然終端與執行機構。例如將激光切割融入整體生產環節,可以實現零庫存。
三是加工工藝驅動。例如,高速熔覆技術,僅僅是改變一些激光熔疆的思路,就開辟了新的應用場景:不僅熔覆效率顯著提升,且工件變形小,成本可以和傳統的電鍍工藝競爭。
四是市場驅動。例如,即使采用高速熔覆技術,制造成本仍然遠高于鉻等電鍍工藝。但是,由于環保政策等原因,電鍍工藝的非生產成本過高,因此使得高速熔覆的總體成本基至比電鍍技術還要低。
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